第8章 集成运算放大器1

集成运算放大器8.1零点漂移8.2差动放大电路8.3电流源电路8.4集成运算放大器介绍8.5集成运放的性能指标8.6集成运放应用基础第8章集成运算放大器01集成运算放大器8.7运算电路8.8有源滤波器8.9电压比较器8.10集成运放应用举例8.11实际使用中的一些问题02集成运算放大器引言集成运算放大电路概述集电路、元器件、系统一体化的新型电子器件。集成电路（IC--integratecircuit)优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、成本低。1958年，德克萨斯公司发明第一块集成电路。目前，集成度：70万个元件/毫米2芯片03集成运算放大器（1）不易制作大电容，均采用直接耦合。（2）功耗小，各级的偏置电流通常较小。（3）为了克服零漂，大量采用差动放大器（4）不易制作高阻值电阻，采用恒流源代替。（5）电感，大电容，高电阻采用外接方式。集成运放的电路结构特点:04集成运算放大器差放复合管CE互补输出电流源电路集成运放结构图05集成运算放大器Ui1UCCRb1Rs1Rc1Rc2V1V2U0c1c28.1零点漂移问题问题一：前后级Q点相互影响问题二：零点漂移06集成运算放大器零点漂移的原因：Ui1UCCRb1Rs1Rc1Rc2V1V2U0c1c22.管子老化、电源波动、工频干扰等1.环境温度的变化07集成运算放大器零点漂移的原因：2.管子老化、电源波动、工频干扰等1.环境温度的变化Ui1UCCRb1Rs1Rc1Rc2V1V2U0c1c2Re1C阻容耦合多级放大电路存不存在零点漂移现象？思考08集成运算放大器零点漂移的危害：Ui1UCCRb1Rs1Rc1Rc2V1V2U0c1c21.使测量和控制出现错误2.三极管可能进入饱和区或截止区3.信号可能被淹没09集成运算放大器Ui1UCCRb1Rs1Rc1Rc2V1V2U0c1c23.采用温敏元件补偿2.引入直流负反馈1.采用差动放大电路抑制方法：10集成运算放大器8.2差动放大电路Ui1Ui2Rb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2UCC8.2.1基本形式设计思路：采用两个特性相同电路，使两个输出端的零漂互相抵消。没有外界影响时：121200iioccUUUUU,11集成运算放大器Ui1Ui2Rb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2UCC有外界影响时：如温度变化使电路的静态工作点改变。电路利用对称性，使输出的漂移电压相互抵消。由于处在同一环境温度下，两管的零漂相等。120occUUU12ccUU12集成运算放大器Ui1Ui2Rb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2UCC12icicUU共模信号：大小相等，方向相同的信号。共模信号对两支电路的作用相同，与温度影响相似。1.共模信号及共模电压放大倍数Auc0oU13集成运算放大器共模放大倍数ocucicUAU双端输出时，该电路共模放大倍数为零，故共模信号不能被差动放大电路放大，是无用信号。共模放大倍数越小，对零漂的抑制能力超强。Ui1Ui2Rb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2UCC14集成运算放大器UCCRb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2RL+-Uid2Uid112ididUU差模信号:大小相等，方向相反的信号。1212odcccUUUU2.差模信号及差模电压放大倍数Aud两个输入端之间有差别，输出端才有变动，故称为差动放大电路。15集成运算放大器1LudusbeRAARr双端输出时，差模放大倍数等于单管电路的放大倍数：UCCRb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2RL+-Uid2Uid1差模放大倍数odudidUAU差模信号是有用信号，电路要有较大的差模放大倍数。16集成运算放大器(1)电路难于绝对对称，仍然存在零漂。(2)每个管没采取消除零漂的措施，温度变化十分大时，可能进入截止或饱和。(3)单端输出时，零漂仍然十分严重。Ui1Ui2Rb1Rb2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2UCC3.基本差动电路存在如下问题RL17集成运算放大器两管通过射极电阻Re和－UEE耦合。电路仍具有对称性，其抑制零漂的原理与基本差动放大电路相同。UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2Re-UEE8.2.2长尾式差动放大电路18集成运算放大器UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2Re-UEE12EEII112EEEeBsBEUIRIRU所以12221EEBEEEBEEEseeUUUUIIRRR11;1EBIIUCE=UCC-IcRc+UBE+IBRs1.静态工作点19集成运算放大器双端输出时，共模输出电压仍为零，原理同基本电路。对每一管而言，可视为都接入了射极电阻2Re。-UEEUCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c22Re2Re-UEE2.对共模信号的抑制作用20集成运算放大器单端输出时，由于2Re的作用，有很强的负反馈作用，对共模信号起到抑制作用。-UEEUCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c22Re2Re-UEERL12LucsbeeRARrR()共模放大倍数21集成运算放大器流过射极电阻Re的差模电流为12eeeIII0＝＝此处称为“虚地”，Re对差模信号不产生任何影响。双端输出的差模放大倍数仍为LudsbeRARr+UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Ue＝0Ie＝0虚地RL3.对差模信号的放大作用22集成运算放大器共模抑制比CMRR定义：uducACMRRA共模抑制比是衡量电路性能优劣的重要指标。常用对数的形式表示，即：202020ududucucACMRAAAlglglgCMR的单位为分贝(dB)。4.共模抑制比23集成运算放大器实用电路举例——坦克横风传感器电路直流电桥将风速变化转变成电压信号。长尾式差放电路放大信号，抑制零漂，后续电路判读、补偿。24集成运算放大器实用电路举例——坦克横风传感器电路Ra、Rb为热敏电阻，直接受风吹的铂丝温度下降，阻值减小。电桥平衡时，输出电压为零。电桥的输出电压与风速成正比。RcRd25集成运算放大器实用电路举例——坦克横风传感器电路传感器工作环境温差变化大，零漂比信号还要大，如不抑制将淹没信号，传感器无法工作。26集成运算放大器经传感器变换的电信号很微弱，且零漂很大，需经差动放大路，既放大信号又抑制零漂。实用电路举例——医用压力传感器电路27集成运算放大器（1）差模放大倍数odudidUA=U（2）共模放大倍数ocucicUA=U（3）共模抑制比CMRRuducACMRR=AuducACMR=20lgA5.差模放大器的主要指标28集成运算放大器(4)差模输入电阻rididididUr=I(5)差模输出电阻rododododUr=I(6)共模输入电阻ricicicicUrI29集成运算放大器UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2电路绝对对称，求其udAucACMRRidrodricr（2）120occcucicicUUUAUU－＝解：（1）1111122ccodLuduidididsbeUUURAAUUURr其中R/L=Rc∥(RL/2)交流通路,虚地eRRe-UEE6.例题30集成运算放大器（3）uducACMRR=A＝（4）12bdbdsbesbebd-=I2I(R+r)==2(R+r)IidiiididUUUr=I(5)icsbeiceicsbeeI(R+r)+2(1+)IR=I=(R+r)+2(1+)RicicicUrI（6）用外加电源法，可求出：c2Rodr=UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2U0c1c2Re-UEE31集成运算放大器为了克服半导体三极管V1,V2和电路元件参数不对称，在射极增加电位器RW。UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEERw11122(1)2codLuduwididsbeUURAARUURr2((1))2widsbeRrRr[(1)]2(1)2WicbeseRrrRR7.带调零电路的差动放大电路32集成运算放大器oocodudiducicUUUAUAU输出电压为：11iiUU12idiiUUU12121122idididiiUUUUU差模信号122iiicUUU共模信号1121iicidiicidUUUUUU则输入信号可表示为：8.对一般输入信号作用33集成运算放大器问题的提出：长尾电路中Re越大，抑制零漂越好，但过大受限，（1）必须提高UEE值。（2）集成电路中不易做大电阻UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEE恒流源电路特点：工作点稳定；直流电阻小；交流电阻大。用恒流源代替ReR1V3c2-UEER3R28.2.3恒流源差动放大电路34集成运算放大器交流电阻3or33312(1)//ooceobeURrrIrRRR3()()oobceobUIIrIIR123(//)()0bbeobIrRRIIR很大，提高了共模抵制能力3or其它指标计算与长尾电路一样，用代替3orerR1R2rbe3bβIrbc.R3UoIoIb3b35集成运算放大器双入单出单入双出单入单出双入双出UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEE..LudsbeRARrsbe2(R+r)idr=c2Rodr=uducACMRR=A＝8.2.4差动放大电路的4种接法36集成运算放大器双入单出UCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEE..RL输出只从V1的集电极输出，所以输出电压只有双端输出的一半。12//LudsbeLcLRARrRRRsbe2(R+r)idr=cRodr=(1)2LucbeseRArRRudeucsbeARCMRRARr37集成运算放大器单入双出UCCUi1Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEE.Ui仅加在一个管输入端12112122idiiiiiiciUUUUUUUU忽略对共模信号的放大作用，可等效为双端输入的情况，故双端输入、双端输出的结论均适用单端输入、双端输出。与双入区别，单入时伴有共模信号输入。38集成运算放大器单入单出UCCUi1Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2Uo-UEE.RL与双端输入、单端输出的电路等效。可根据不同的输出端，得到同相或反相关系。39集成运算放大器4种接法的比较（1）差模放大倍数单出为双出的一半，由不同输出端可得到不同的相位。（2）抑制零漂能力单出不如双出，仅靠Re负反馈作用，不能从输出端抵消零漂。（3）输入电阻相同（4）输出电阻单出为双出的一半（5）输入信号单入时伴有共模信号。12iU40集成运算放大器例电路如图8.13所示，设CC=UEE=12V,β1=β2=50,RW=200Ω,R3=33kΩ,R2=6.8kΩ,R1=2.2kΩ,1210ssRRkUCCUi1Ui2Rs1Rs2Rc1Rc2V1V2c1c2UoR1V3c2-UEER3R2RwR1(1)求静态工作点。(2)求差模电压放大倍数。(3)求RL=100kΩ时，差模电压放大倍数。(4)从V1管集电极输出，求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设rce3=50kΩ)。41集成运算放大器解(1)静态工作点:11122.2()245.872.26.8RCCEERUUUVRR设UBE3=0.6V,35.870.65.27RUV所以331231122121135.270.1616033180,,2120.081004REEEEEcEcccCCccUImAA